Biosphere-atmosphere-exchange of C and N trace gases and microbial N turnover processes in irrigated agricultural systems of the Aral Sea Basin, Uzbekistan

Abstract

Land-use and agricultural practices affect the soil microbial carbon (C) and nitrogen (N) turnover and hence the biosphere-atmosphere exchange of greenhouse gasses (GHG), namely N₂O, CH₄ and CO₂. In view of the global importance of irrigated agriculture, it is crucial to understand how and to which extent this land-use system interferes with the terrestrial N and C cycles and contributes to the global source strength of atmospheric GHG. Up to now, knowledge of trace gas exchange and N turnover from irrigated agriculture in arid and semiarid regions is much less developed than in other climate zones. Therefore, this study aims at providing more detailed insights into the biosphere-atmosphere exchange of trace gases and the underlying soil microbial transformation processes of the irrigated agricultural systems in the Aral Sea Basin (ASB), Uzbekistan. A two-year field study was carried out to quantify and compare emissions of N₂O and CH₄ in various annual and perennial land-use systems dominating in the study region Khorezm in western Uzbekistan: irrigated cotton, winter wheat and rice crops, a poplar plantation as well as a natural Tugai (floodplain) forest. <br /> Irrigated agricultural production in the ASB was shown to be a relevant source of GHG especially due to high emissions of N₂O during the annual cropping of wheat and cotton. Average N₂O emissions ranged from 10 to 150 µg N₂O N m 2h^-1 with highest N₂O emissions in the cotton fields, covering a similar range described in previous studies of other irrigated cropping systems. Seasonal variations in N₂O emissions were principally controlled by fertilization and irrigation management. Very high N₂O emissions of up to 3000 µg N₂O-N m^-2 h^-1 were measured in periods directly following N fertilizer application in combination with irrigation events. These “emission pulses” accounted for 80-95% of the total N₂O emissions over the cropping season for cotton and wheat. Cumulated emissions over one season varied from 0.5 to 6.5 kg N₂O-N ha^-1. The unfertilized poplar plantation showed high N₂O emissions over the entire study period (30µg N₂O N m 2h^-1), whereas only negligible fluxes of N₂O (< 2µg N₂O N m 2h^-1) occurred in the natural Tugai forest. Observations of significant CH₄ fluxes were restricted to the flooded rice fields, with mean flux rates of 32 mg CH₄ m 2d^-1 and a seasonal total of 35.2 kg CH₄ ha^-1. The global warming potential (GWP) of the N₂O and CH₄ fluxes was highest under rice and cotton, with seasonal changes between 500 and 3000 kg CO2 eq.ha^-1. The biennial cotton-wheat-rice crop rotation commonly practiced in the region averaged a GWP of 2500 kg CO2 eq.ha 1 year^-1.<br /> In addition, laboratory incubation studies were conducted to assess the aggregated gaseous N losses composed of NO, N₂O, and N₂ from fertilized and irrigated agricultural fields in the ASB. NO₃- fertilizer and irrigation water were applied to the incubation vessels to assess its influence on the gaseous N emissions. Under the soil conditions, naturally found after concomitant irrigation and fertilization, denitrification was the dominant process and N₂ the main gaseous product of denitrification. Based on the results of these laboratory incubation studies, the magnitude of N₂ emissions for the different field research sites of irrigated cotton could be estimated to be in the range of 24±9 to 175±65 kg-N ha^-1season^-1, while emissions of NO were only of minor importance (between 0.1 and 0.7 kg-N ha^-1 season^-1). The findings demonstrate that under the current agricultural practices in the irrigated dryland soils of the ASB, denitrification is a major pathway of N losses and that beside N₂O extensive amounts of N fertilizer are lost as N₂ to the atmosphere.<br /> Moreover, the experimental design of this study allows assessing the potential for reducing GHG emissions from these land-use systems. It is argued that there is wide scope for reducing the GWP of this agroecosystem by (i) optimization of fertilization and irrigation practices and (ii) conversion of annual cropping systems into perennial forest plantations, especially on less profitable, marginal lands.

<p><strong>Biosphäre-Atmosphäre Austausch von C/N Spurengasen und mikrobielle N Umsetzungsprozesse in bewässerten, landwirtschaftlichen Produktions-systemen des Aralseebeckens, Usbekistan</strong><br /> Die mikrobiellen Umsetzungsprozesse von Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in Böden und der damit verbundene Austausch von Treibhausgasen zwischen Biosphäre und Atmosphäre werden maßgeblich von der Landnutzung und den landwirtschaftlichen Methoden beeinflusst. Angesichts der weltweiten Bedeutung von bewässerter Landwirtschaft ist es äußerst wichtig zu verstehen, in wie weit diese landwirtschaftlichen Systeme die globalen N und C Kreisläufe beeinflussen und zu den globalen Treibhausgasemissionen beitragen. Im Gegensatz zu den landwirtschaftlichen Systemen der temperaten Klimazonen ist über N und C Spurengasemissionen aus bewässerter Landwirtschaft in ariden und semiariden Gebieten nur sehr wenig bekannt. Um einen wesentlichen Beitrag zur Schließung dieser Forschungsdefizite zu leisten, konzentrierte sich diese Studie auf den Austausch von strahlungsaktiven Spurengasen zwischen Biosphäre und Atmosphäre und die hiermit assoziierten mikrobiellen N Umsetzungsprozesse in den Böden der bewässerten landwirtschaftlichen Systeme im Aralsee-Becken (ASB) von Usbekistan. Dafür wurde über einen Zeitraum von zwei Jahren in verschiedenen einjährigen und mehrjährigen Landnutzungssystemen die Emissionen der Treibhausgase Lachgas (N₂O) und Methan (CH₄) untersucht. Ausgewählt wurden Landnutzungsysteme die typisch für das Untersuchungsgebiet Khorezm, in West-Usbekistan, sind: bewässerter Baumwoll-, Winter Weizen- und Reisanbau sowie eine Pappel-Plantage und der natürliche „Tugai“ Auenwald entlang des Amu Darya Flusses.<br /> Es konnte festgestellt werden, dass der bewässerte Landbau im ASB insbesondere aufgrund von hohen N₂O Emissionen aus dem Baumwoll- und Weizenanbau eine maßgebliche Quelle von Treibhausgasen darstellt. In den einjährigen Anbausystemen wurden mittlere N₂O Emissionsraten zwischen 10 und 150 µg N₂O N m^-2h^-1 festgestellt, wobei die höchsten Emissionen in Baumwollfeldern gemessen wurden. Über die gesamte Saison wurden die N₂O Emissionen hauptsächlich von Düngung und Bewässerung beeinflusst. Dabei traten extrem hohe N₂O Emissionen (bis zu 3000 µg N₂O-N m^-2 h^-1) auf, wenn mineralischer N-Dünger direkt vor der Bewässerung appliziert wurde. Diese „Emissionsspitzen“ hatten einen Anteil von 80-95% an den Gesamtemissionen von N₂O bezogen auf die Vegetationsperiode von Baumwolle und Weizen. Insgesamt variierten die N₂O Emissionen über eine Saison von 0,5 bis 6,5 kg N₂O-N ha^-1. In der ungedüngten Pappel-Plantage wurden über den gesamten Messzeitraum hohe N₂O Emissionen (30 µg N₂O N m^-2h^-1) gemessen, wohingegen in dem Tugai Wald lediglich äußerst kleine Flüsse von N₂O (< 2 µg N₂O N m^-2h^-1) festgestellt wurden. Bedeutende CH₄ Emissionen traten nur in den gefluteten Reisfeldern auf, mit einer durchschnittlichen Flussrate von 32 mg CH₄ m^-2d^-1 und einer Gesamtemission über die Vegetationsperiode von 35,2 kg CH₄ ha^-1. Das Treibhauspotenzial der N₂O und CH₄ Flüsse, dargestellt als CO₂-Äquivalent, war am höchsten für den Reis- und Baumwollanbau, wobei auf den verschiedenen Messflächen die Gesamtemission einer Saison von 500 bis zu 3000 kg CO₂ eq.ha^-1 variierte. Für eine zweijährige Rotation von Baumwolle-Weizen und Reis, wie sie typisch für das Untersuchungsgebiet ist, konnte ein durchschnittliches Treibhauspotenzial von 2500 kg CO₂ eq.ha^-1 Jahr^-1ermittelt werden.<br /> Zusätzlich wurden im Labor Inkubationsversuche an intakten Bodensäulen durchgeführt um die gasförmigen Stickstoffverluste, bestehend aus NO, N₂O, und N₂, der gedüngten und bewässerten Anbausysteme des ASB zu erfassen. Ammoniumnitrat Dünger wurde zusammen mit Wasser auf die Bodensäulen appliziert, um den Einfluss von gleichzeitiger Düngung und Bewässerung zu simulieren. Es konnte gezeigt werden, dass nach synchroner Düngung und Bewässerung Denitrifikation der vorherrschende Prozess in den Böden ist, und dass der größte Teil des Nitrats vollständig zu molekularem Stickstoff (N₂) denitrifiziert wird. Aufgrund dieser Ergebnisse war es möglich für Baumwolle die Größenordnung der gasförmigen N Verluste von den verschiedenen Messflächen abzuschätzen. Demnach wurden von den einzelnen Baumwollfeldern zwischen 24±9 und 175±65 kg-N ha^-1Saison^-1 als N₂ emittiert, während nur geringe Mengen von NO freigesetzt wurden (zwischen 0,1 und 0,7 kg-N ha^-1 Saison^-1). Diese Studie konnte somit zeigen, dass unter den gegenwärtigen landwirtschaftlichen Methoden im ASB, erhebliche Mengen von Stickstoff durch Denitrifikation als N₂ an die Atmosphäre abgegeben werden.<br /> Ferner erlaubte das experimentelle Design dieser Studie Möglichkeiten einer Reduktion des Ausstoßes von Treibhausgasen aus diesen Anbausystemen abzuschätzen. Abschließend kann festgestellt werden, dass durch (i) eine Optimierung der Dünge- und Bewässerungsmethoden und (ii) einen Wechsel von einjährigen Feldfrüchten auf mehrjährige Baumplantagen, insbesondere auf unrentablen, marginalen Boden, das Treibhauspotential dieses landwirtschaftlichen Produktionssystems wesentlich reduziert werden kann.</p>